Химическая термодинамика - Институт цветных металлов и

Министерство образования и науки РФ
Федеральное государственное автономное образовательное
учреждение высшего профессионального образования
«Сибирский федеральный университет»
ИНСТИТУТ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ
И МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ
Кафедра физической и неорганической химии
Денисова Л.Т.
ХИМИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ СТУДЕНТОВ
Направление: 020100.62 – Химия
Красноярск
2012
Содержание
ВВЕДЕНИЕ………..……………………………………………………………….3
ЗАДАЧИ ИЗУЧЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ………...…………………………….....3
ОРГАНИЗАЦИЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ СТУДЕНТОВ…….….....4
ПРОРАБОТКА ЛЕКЦИОННОГО МАТЕРИАЛА…………………………..…..5
Содержание разделов и тем лекционного курса………………………………...6
Самоконтроль при теоретической проработке материала……………………...8
Темы, предусмотренные для самостоятельного изучения
теоретического материала……………………………………………….…. …..11
Литература, рекомендуемая для теоретического изучения курса….………....11
ВЫПОЛНЕНИЕ И ЗАЩИТА ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ………………...….12
Практические руководства и список учебных пособий,
рекомендуемых для подготовки к лабораторным работам……………..……..14
Основные требования к выполнению работ и их оформлению……….……...15
КОНТРОЛЬ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ…………………………..…...15
ГРАФИК учебного процесса и самостоятельной работы студентов……..…..18
2
ВВЕДЕНИЕ
Курс “Химическая термодинамика” преподается как дисциплина общей
профессиональной подготовки для студентов, обучающихся по направлению 020100.62
Химия. Этот курс является частью физической химии, которую студентам университета
начинают читать в пятом семестре.
Предметом курса являются физико-химические закономерности, определяющие
направление и глубину протекания химических превращений.
Цель изучения дисциплины – получение студентами базовых сведений по
химической термодинамике и основным способам применения термодинамических
методов для решения химических задач.
К современному специалисту общество предъявляет достаточно широкий перечень
требований, среди которых немаловажное значение имеет наличие у выпускников
определенных способностей и умения самостоятельно добывать знания из различных
источников, систематизировать полученную информацию. Формирование такого умения
происходит в течение всего периода обучения через участие студентов в занятиях,
выполнение контрольных заданий и тестов, выполнение лабораторных работ, написание
курсовых и выпускных квалификационных работ. При этом самостоятельная работа
студентов играет решающую роль в ходе всего учебного процесса.
Внеаудиторная самостоятельная работа студентов – это планируемая учебная,
учебно-исследовательская, научно-исследовательская работа студентов, выполняемая
во внеаудиторное время по заданию и при методическом руководстве преподавателя, при
этом носящая сугубо индивидуальный характер.
Целью самостоятельной работы студентов является овладение фундаментальными
знаниями, профессиональными умениями и навыками деятельности по профилю, опытом
творческой, исследовательской деятельности. Самостоятельная работа студентов
способствует развитию самостоятельности, ответственности и организованности,
творческого подхода к решению проблем учебного и профессионального уровня.
Для организации самостоятельной работы необходимы следующие условия:
– готовность студентов к самостоятельному труду;
– мотивация получения знаний;
– наличие и доступность всего необходимого учебно-методического и справочного
материала;
– система регулярного контроля качества выполненной самостоятельной работы;
– консультационная помощь преподавателя.
Формы самостоятельной работы студентов определяются содержанием учебной
дисциплины, степенью подготовленности студентов.
Эта работа включает в себя:
1) самостоятельное изучение литературных источников;
2) решение типовых задач;
3) подготовку к лабораторным занятиям;
4) подготовку к промежуточному контролю и к итоговой зачетной работе;
5) подготовку к экзамену.
ЗАДАЧИ ИЗУЧЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
Задачи изучения дисциплины формирование компетенций, которые помогут
раскрыть роль термодинамики при описании макроскопических многокомпонентных
систем, рассмотреть основные методы экспериментального и теоретического исследования
химических и фазовых равновесий в многокомпонентных системах, использовать
3
термодинамический метода в химических технологиях; дадут возможность студентам
эффективно применять в профессиональной деятельности полученные знания, умения и
навыки.
В результате изучения дисциплины студенты должны
знать:
- перспективы развития химической термодинамики как теоретической базы
синтетической химии и химической технологии,
- базовую терминологию, относящуюся к химической термодинамике, основные понятия и
законы термодинамики, их математическое выражение;
- роль термодинамических факторов в геологических, атмосферных процессах,
биологических и технологических системах;
-основные экспериментальные и расчетные методы определения макроскопических
- характеристик системы и отдельных ее составляющих веществ;
уметь:
- применять основные законы химической термодинамики для обсуждения полученных
результатов, в том числе с привлечением информационных баз данных,
- проводить физико-химический анализ процессов,
-моделировать химическое, фазовое равновесие, свойства растворов и проводить
численные расчеты физико-химических величин;
- проводить оценку возможных рисков, включая экологические, на основании знания
закономерностей, управляющих поведением анализируемых системы,
- работать с установками и приборами, применяемыми в аналитических и физикохимических исследованиях;
владеть навыками:
- проведения химического эксперимента, использования физико-химических методов
исследования систем и процессов,
- работы на современной учебно-научной аппаратуре при проведении химических
экспериментов,
- оценки основных термодинамических параметров процессов с использованием
известных физико-химических моделей.
ОРГАНИЗАЦИЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ СТУДЕНТОВ
Учебные занятия по химической термодинамике проводятся в виде лекций,
консультаций, лабораторных работ и самостоятельной работы.
Структура дисциплины (распределение трудоемкости по отдельным видам
аудиторных учебных занятий и самостоятельной работы) представлена в таблице ниже
Вид учебной работы
Общая трудоемкость дисциплины
Аудиторные занятия:
лекции
лабораторные работы
Самостоятельная работа:
Вид итогового контроля
Всего часов
249
90
36
54
105
зачет+экзамен (54)
Самостоятельная работа реализуется:
1. Непосредственно в процессе аудиторных занятий – на лекциях и при выполнении
4
лабораторных работ.
2. В контакте с преподавателем вне рамок расписания – на консультациях по
учебным вопросам, в ходе творческих контактов, при ликвидации задолженностей, при
выполнении индивидуальных заданий и т.д.
3. В библиотеке, дома, в общежитии, на кафедре при выполнении студентом
учебных и творческих задач.
Выдача заданий студентам на внеаудиторную самостоятельную работу
сопровождается инструктажем со стороны преподавателя по ее выполнению, включающим
изложение цели задания, его содержания, сроков выполнения, ориентировочного объема
работы, основных требований к результатам работы и к отчету по ним, сведения о
возможных ошибках и критериях оценки выполнения работы. В ходе выполнения
внеаудиторной самостоятельной работы и при необходимости студенты могут обращаться
к выдавшему задание преподавателю за консультацией. Самостоятельная работа по
усмотрению преподавателя может выполняться студентами индивидуально или
коллективно (творческими группами), в зависимости от цели, объема, конкретной
тематики самостоятельной работы, и уровня сложности.
Внеаудиторная самостоятельная работа студентов расписанием занятий не
регламентируется.
Условно самостоятельную работу можно разбить на обязательную и специальную.
Обязательные формы обеспечивают подготовку к текущим аудиторным занятиям.
Результаты этой подготовки проявляются в активности на занятиях и качественном уровне
сделанных докладов, выполненных контрольных работ, тестовых заданий и других форм
текущего контроля.
Специальные формы самостоятельной работы направлены на углубление и
закрепление знаний, развитие аналитических навыков по проблематике учебной
дисциплины. Подведение итогов и оценка результатов таких форм самостоятельной
работы осуществляется во время контактных часов с преподавателем.
В соответствии с учебной программой дисциплины, запланированы следующие
виды самостоятельной работы и время на ее выполнение:
1. Проработка лекционного материала.
2. Самостоятельное изучение отдельных тем дисциплины.
3. Оформление и подготовка к защите лабораторных работ.
4. Подготовку к промежуточному контролю;
5. Подготовку к зачету (экзамену).
Задания на самостоятельную работу выдаются преподавателями, ведущими
лабораторные занятия.
Преподаватель оказывает информационную и методическую помощь студентам в
организации, руководстве и контроле их самостоятельной работы, знакомит студентов со
списком литературы по программному материалу, с методикой работы над литературой,
реферированием, порядком и технологией составления конспектов лекций и выступлений,
написанием рефератов.
ПРОРАБОТКА ЛЕКЦИОННОГО МАТЕРИАЛА
Содержание разделов и тем лекционного курса
Лекционные занятия относятся к числу важнейших форм организации учебного
процесса по дисциплине «Химическая термодинамика». Лекции содержат базовую
терминологию,
основные понятия и законы термодинамики, их математическое
выражение; основные экспериментальные и расчетные методы определения
макроскопических характеристик системы и отдельных ее составляющих веществ.
5
Поэтому лекционный материал является важным подспорьем для выполнения
лабораторных работ, решения задач и подготовки к контрольным работам.
В соответствии с программой дисциплины, лекционный курс состоит из разделов,
перечисленных в табл. 1.
Таблица 1.
Разделы лекционного курса
№
Название раздела
Объем учебного
времени (в часах)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Итого
Введение
Уравнения состояния идеальных и реальных газов.
Законы термодинамики
Энергия Гиббса. Энергия Гельмгольца
Характеристические функции
Химическое равновесие
Термодинамика фазовых превращений
Растворы
Статистическая термодинамика
Элементы неравновесной термодинамики
Общее заключение
1
3
4
4
4
4
6
4
4
2
36
Содержание разделов и тем лекционного курса
Модуль 1. Законы термодинамики и их применение к химическим процессам
Раздел 1. Введение.
Тема 1. Введение.
Предмет и задачи курса. Химическая термодинамика как раздел физической химии.
Термодинамические системы и процессы.
Раздел 2. Уравнения состояния идеальных и реальных газов.
Тема 2. Уравнения состояния идеальных и реальных газов.
Равновесная термодинамика. Уравнения состояния. Идеальный газ. Отклонения от
идеальности. Изотермы Амага. Уравнение Ван дер Ваальса. Соответственные состояния.
Уравнения Бертло, Дитеричи, каммерлинг-Оннеса.
Раздел 3. Законы термодинамики
Тема 3. Первый закон термодинамики.
Первый закон термодинамики. Применение первого закона термодинамики к химическим
процессам. Закон Гесса. Теплоемкость. Закон Кирхгоффа.
Тема 4. Второй и третий законы термодинамики.
Второй закон термодинамики. Третий закон термодинамики. Изменение энтропии в
некоторых процессах.
Раздел 4. Энергия Гиббса. Энергия Гельмгольца Характеристические функции
Тема 5. Энергии Гиббса и Гельмгольца. Характеристические функции. Соотношения
Максвелла. Зависимость энергии Гиббса от температуры и давления.
Тема 6. Парциально-молярные величины.
Парциально-молярные величины. Уравнение Гиббса-Дюгема. Химический потенциал.
Методы определения парциально-молярных величин.
Раздел 5. Химическое равновесие
Тема 7. Химическое равновесие.
6
Условие равновесия реакции. Константа равновесия. Способы выражения констант
равновесия. Летучесть и коэффициент летучести. Методы определения летучести и
коэффициентов летучести.
Тема 8. Влияние различных факторов на положение равновесия реакции.
Уравнение изотермы реакции. Уравнение изобары реакции. Расчет константы равновесия
по второму закону термодинамики. Расчет константы равновесия по третьему закону
термодинамики*. Особенности расчета константы равновесия жидкофазных реакций*.
Расчет равновесного состава реакционной смеси в идеальных растворах*. Равновесие в
гетерогенных системах.
Модуль 2. Фазовое равновесие и теория растворов
Раздел 6. Термодинамика фазовых превращений
Тема 9. Термодинамика фазовых превращений.
Основные определения. Уравнение Клапейрона-Клаузиуса. Правило фаз Гиббса.
Тема 10. Диаграммы состояния.
Фазовые диаграммы. Диаграммы состояния однокомпонентных систем. Диаграммы
состояния двухкомпонентных систем. Определение составов и массы фаз равновесной
гетерогенной системы. Диаграммы состояния трехкомпонентных систем. Правила Гиббса
и Розебома. Анализ диаграммы состояния с простой эвтектикой. Диаграмма состояния
трехкомпонентной системы с ограниченной взаимной растворимостью компонентов.
Определение состава и количества сопряженных фаз трехкомпонентной системы.
Раздел 7. Растворы
Тема 11. Введение в теорию растворов.
Основные определения. Взаимодействия между частицами в растворе. Термодинамическое
условие образования растворов. Термодинамика многокомпонентных систем.
Тема 12. Термодинамические свойства идеальных и неидеальных растворов.
Закон Рауля. Свойства идеальных растворов. Неидеальные растворы. Термодинамические
свойства регулярных и атермальных растворов*. Активность. Методы определения
активности и коэффициентов активности. Коллигативные свойства растворов. Расчет
равновесного состава реакционной смеси в неидеальных растворах*.
Тема 13. Равновесия в системах с растворами.
Равновесия газ-жидкий раствор в бинарных системах. Равновесие пар-жидкий раствор в
системах с неограниченной взаимной растворимостью. Закон распределения вещества
между двумя несмешивающимися фазами.
Модуль 3. Элементы статистической и неравновесной термодинамики
Раздел 8. Статистическая термодинамика
Тема 14. Статистический расчет термодинамических функций.
Термодинамическая
вероятность
системы.
Энтропия.
Фазовое
пространство.
Распределение молекул идеального газа по энергетическим уровням. Каноническое и
микроканоническое распределение Гиббса. Сумма по состояниям системы. Закон
распределения Больцмана.
Тема 15. Расчет термодинамических свойств идеальных систем.
Связь суммы по состояниям с термодинамическими функциями. Молекулярная сумма по
состояниям
идеального
газа.
Расчет
константы
равновесия.
Флуктуации
термодинамических величин*.
Раздел 9. Элементы неравновесной термодинамики
Тема 16. Линейная неравновесная термодинамика.
7
Основные определения. Динамические понятия и динамические уравнения механики
сплошной среды. Уравнения неразрывности. Необратимые процессы. Процессы в
гомогенных системах. Соотношения взаимности Онзагера. Процессы переноса.
Тема 17. Нелинейная термодинамика.
Системы, далекие от равновесия. Устойчивость неравновесных стационарных состояний.
Линейный анализ устойчивости. Диссипативные структуры.
Раздел 10. Общее заключение.
Тема 18. Роль химической термодинамики в различных областях науки и техники.
Изучать курс рекомендуется в соответствии с календарно-тематическим планом
лекционных и лабораторных занятий постепенно, не оставляя на конец семестра. Не
рекомендуется переходить к изучению последующей темы, пока не усвоен материал
предыдущего раздела. Для проработки лекционного материала следует использовать не
только конспект лекций, но и рекомендованные учебники, при этом желательно составлять
краткие конспекты, которые впоследствии окажут неоценимую помощь при подготовке к
экзаменам.
Самоконтроль при теоретической проработке материала
Степень освоения материала каждый студент может оценивать самостоятельно,
разбирая контрольные вопросы, сформулированные в учебной литературе, в методических
указаниях к лабораторным работам.
Контрольные вопросы по курсу “Химическая кинетика”
1. Формулировка первого закона термодинамики.
2. Математическое выражение второго закона термодинамики.
3. Уравнение Клаузиуса-Клапейрона в линейной форме.
4. От чего зависит, куда сместится равновесие реакции при изменении температуры?
5. От чего зависит, куда сместится равновесие реакции при изменении давления?
6. Нарисуйте диаграмму состояния воды.
7. Уравнение для расчета эбуллиоскопической постоянной.
8. Какие состояния называют соответственными?
9. Как графически определить тепловой эффект реакции, зная константы равновесия
при разных температурах?
10. Закон Генри.
11. Что такое фаза?
12. Приведите примеры экстенсивных и интенсивных параметров.
13. Третий закон термодинамики.
14. Что такое химический потенциал?
15. Нарисуйте диаграмму состояния двухкомпонентной системы с конгруэнтноплавящимся соединением.
16. Уравнение изобары Вант-Гоффа.
17. Приведите пример гомогенной системы.
18. Какие вещества называют термодинамически подобными?
19. Уравнение Ван дер Ваальса.
20. Как графически определить теплоту испарения, зная давления насыщенного пара при
разных температурах?
21. Что такое система?
22. Приведите пример гетерогенной системы.
23. Какие системы называют изолированными?
24. Уравнение, связывающее энтальпию и внутреннюю энергию.
8
25. Может ли константа равновесия реакции равняться нулю?
26. Нарисуйте диаграмму состояния двухкомпонентной системы с областью ликвации.
27. Уравнение Ван дер Ваальса в приведенном виде.
28. Что такое теплоемкость?
29. Какие системы называют закрытыми?
30. Чему равен тепловой эффект реакции при постоянном объеме?
31. Закон Дальтона.
32. Какую величину используют при расчете константы равновесия реакции вместо
концентрации в случае реальных растворов?
33. Математическое выражение закона Рауля.
34. Нарисуйте диаграмму состояния двухкомпонентной системы с простой эвтектикой.
35. Какие системы называют открытыми?
36. Уравнение Дитеричи.
37. Формула для расчета осмотического давления.
38. Принцип Ле Шателье.
39. Нарисуйте диаграмму состояния двухкомпонентной системы с инконгруэнтноплавящимся соединением.
40. Закон Кирхгофа в интегральной и дифференциальной формах.
41. Что означает выражение: “энтропия – это функция состояния”?
42. Нарисуйте диаграмму состояния двухкомпонентной системы с ограниченной
растворимостью в твердом состоянии эвтектического типа.
43. Уравнение Бертло.
44. Как константа равновесия реакции зависит от концентрации?
45. Что такое раствор?
46. Правило фаз Гиббса.
47. Что такое возгонка?
48. Нарисуйте диаграмму состояния двухкомпонентной системы с ограниченной
растворимостью в твердом состоянии перитектического типа.
49. Уравнение для расчета химического потенциала реального раствора.
50. Математическое выражение первого закона термодинамики.
51. Куда смещается равновесие эндотермической реакции при увеличении температуры?
52. Уравнение для расчета химического потенциала компонента идеальной газовой
смеси.
53. Как рассчитать число компонентов в системе, в которой идут химические реакции?
54. Когда начинает кипеть жидкость?
55. Что является мерой химического сродства?
56. Нарисуйте диаграмму состояния двухкомпонентной системы с неограниченной
растворимостью в твердом и жидком состояниях.
57. Чему равна работа расширения?
58. На каком уравнении основан метод графического определения теплоты испарения
вещества?
59. Закон Гесса. Следствия закона Гесса.
60. Нарисуйте диаграмму состояния двухкомпонентной системы с ограниченной
растворимостью в жидком состоянии.
61. Закон распределения.
62. В каком случае изменение внешнего давления не смещает равновесие химической
реакции?
63. Назовите критерии самопроизвольного протекания процесса в неизолированной
системе.
64. В чем суть метода Розебома?
9
65. Формула для расчета изменения энтропии при нагревании.
66. График зависимости энергии Гиббса вещества от температуры при наличии фазовых
переходов.
67. Что такое сольватация?
68. Уравнение изобары Вант-Гоффа в интегральной форме.
69. Уравнение состояния идеального газа.
70. Формулировка второго закона термодинамики.
71. Дайте определение относительной парциальной молярной величины.
72. Нарисуйте график, показывающий повышение температуры кипения раствора.
73. Уравнение Клаузиуса-Клапейрона в дифференциальной форме.
74. Какие растворы называют атермальными?
75. Что такое теплота?
76. Уравнение зависимости энергии Гиббса от давления для идеального газа.
77. Правило рычага.
78. График зависимости общего давления пара и парциальных давлений паров
отдельных компонентов от состава раствора при положительных отклонениях от закона
Рауля.
79. Дайте определения предельного коэффициента активности.
80. Как изменяется энергия Гиббса индивидуального вещества с увеличением
температуры? Аргументируйте ответ.
81. Линейная форма уравнения изобары реакции.
82. Перечислите коллигативные свойства растворов.
83. В чем суть метода Гиббса определения состава трехкомпонентных систем?
84. Как графически определить коэффициент Генри?
85. Закон Амага. Нарисуйте график с тремя типами изотерм Амага.
86. Что такое работа?
87. Уравнение Гиббса-Гельмгольца.
88. Перечислите свойства идеальных растворов.
89. Какая точка называется эвтонической?
90. Нарисуйте изотермы Ван дер Ваальса.
91. Как изменяется энергия Гиббса индивидуального вещества с увеличением давления?
Аргументируйте ответ.
92. Дайте определение относительной интегральной молярной величины.
93. Чему равен тепловой эффект реакции при постоянном давлении?
94. Уравнение нормального сродства.
95. Какие растворы называют регулярными?
96. Дайте определение критического давления и критического объема.
97. Условие нормировки летучести.
98. Как графически определить изменения энтропии и энтальпии реакции?
99. Как получаются твердые растворы?
100.Уравнение для расчета криоскопической постоянной.
101.Закон соответственных состояний.
102.Уравнение для химического потенциала компонента реальной газовой смеси.
103.График, показывающий понижение температуры кристаллизации раствора.
104.Дайте определение интегральной теплоты растворения и первой интегральной
теплоты растворения.
105.Что такое раствор? Чем он отличается от механической смеси?
106.Вириальное уравнение Каммерлинг-Оннеса.
107.Какое состояние называют стандартным?
108.Правило Льюиса.
10
109.График зависимости общего давления пара и парциальных давлений паров
отдельных компонентов от состава идеального раствора.
110.Понятие об энтропии.
Темы, предусмотренные для самостоятельного изучения
теоретического материала
Необходимость дополнительного изучения теоретического материала вызвана, с
одной стороны, ограниченностью времени, отведенного для аудиторных занятий. С другой
стороны, самостоятельное ознакомление с новой информацией позволяет студентам
развивать такие способности, как умение анализировать поступающие сведения,
осмысливать их в контексте поставленной задачи; умение работать с научной литературой
и на базе имеющихся знаний ставить новые вопросы.
На самостоятельное изучение дополнительного теоретического материала
выносятся следующие темы:
1. Расчет константы равновесия по третьему закону термодинамики.
2. Особенности расчета константы равновесия жидкофазных реакций.
3. Расчет равновесного состава реакционной смеси в идеальных растворах.
4. Термодинамические свойства регулярных и атермальных растворов.
5. Расчет равновесного состава реакционной смеси в неидеальных растворах.
6. Флуктуации термодинамических величин.
Литература, рекомендуемая для теоретического изучения курса
4.1 Основная и дополнительная литература, информационные ресурсы
Основная литература
1. Стромберг А.Г. Физическая химия / А.Г. Стромберг, Д.П. Семченко. – М.: Высш.
школа, 2001, 2003, 2006. – 528 с.
2. Физическая химия. В 2 кн. Кн.1. Строение вещества. Термодинамика / К.С.Краснов,
Н.К.Воробьев, И.Н. Годнов и др. / Под ред. К.С.Краснова. – М.: Высш. школа, - 2001. – 512
с.
3. Бажин Н. М. Термодинамика для химиков: учебник для студентов вузов по
специальности "Химия": рекомендовано Министерством образования РФ/Н. М. Бажин, В.
А. Иванченко, В. Н. Пармон. – 2004. – 416 с.
Дополнительная литература
1. Зенин, Г.С. Физическая химия: Ч.3. Фазовые равновесия и учение о растворах / Г.
С. Зенин, Н.В. Пенкина, В.Е. Коган. – СПб.: СЗТУ, 2005. – 119 с.
2. Морачевский, А.Г. Термодинамические расчеты в металлургии / А.Г.
Морачевский, И.Б. Сладков. – М.: Металлургия, 1985. – 137 с.
3. Пригожин, И. Современная термодинамика. От тепловых двигателей до
диссипативных структур / И. Пригожин, Д. Кондепуди. – М.: Мир, 2002. – 461 с.
4. Смирнова, Н.А. Методы статистической термодинамики в физической химии /
Н.А. Смирнова. – М.: Высш. школа, 1982. – 455 с.
5. Эткинс, П. Физическая химия. Ч. 1. Равновесная термодинамика / П. Эткинс, Дж.
де Паула. – М.: Мир, 2007. – 496 с.
6. Задачи по химической термодинамике: учебное пособие для вузов по
специальности 011000 "Химия" : допущено Советом по химии УМО по классическому
11
университетскому образованию / В. С. Музыкантов, Н. М. Бажин, В. Н. Пармон [и др.]. - 2е изд.,испр. - Москва : Химия ; Москва : КолосС, 2004. -120 с.
ВЫПОЛНЕНИЕ И ЗАЩИТА ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ
Любая лабораторная работа должна включать глубокую самостоятельную
проработку теоретического материала, изучение методик проведения и планирование
эксперимента, освоение измерительных средств, обработку и интерпретацию
экспериментальных данных. При этом часть работ может не носить обязательный
характер, а выполняться в рамках самостоятельной работы по курсу. В ряд работ
включены разделы с дополнительными элементами научных исследований, которые
потребуют углубленной самостоятельной проработки теоретического материала.
В течение всего семестра каждый студент должен выполнить и защитить по восемь
лабораторных работ, общее количество часов которых должно составлять 54. Темы
лабораторных работ приведены в табл. 3 в соответствии с разделами программы по курсу
«Химическая кинетика».
Перед тем как приступить к выполнению лабораторных работ, необходимо
получить допуск. Для этого необходимо подготовить письменно основную теорию по
заданной работе, уяснить цели, задачи, порядок проведения эксперимента. Для этого
достаточно использовать теоретический материал, приведенный в методическом пособии
по лабораторным работам, находящийся непосредственно перед заданной лабораторной
работой.
Таблица 3.
Перечень лабораторных работ по курсу «Химическая термодинамика»
Студенты выполняют по восемь лабораторных работ. Выбор тем осуществляет
преподаватель. Описание всех работ с краткими теоретическими введениями, с указанием
последовательности выполнения и расчетов и требованиями, предъявляемыми к
выполнению и защите работ, изложено в учебно-методическом указании к лабораторным
работам.
№
п/п
№ раздела
дисциплины
Наименование лабораторных работ,
объем в часах*
Модуль 1. Законы термодинамики и их применение к химическим процессам
1
Раздел. 1. Введение.
Лабораторные работы не предусмотрены
Раздел 2. Уравнения
состояния идеальных
и реальных газов.
2
Раздел 3. Законы Работа 1. Измерение теплоты нейтрализации при смешении
термодинамики
сильных кислот и оснований – 6 ч
Содержание работы: Проводится калориметрическое
определение тепловых эффектов процесса нейтрализации с
учетом теплоты разведения кислот.
Работа
2.
Определение
теплоты
образования
кристаллогидрата – 7 ч
Содержание
работы:
Калориметрическим
методом
определяются интегральные теплоты растворения солей и по
закону
Гесса
рассчитывается
теплота
образования
кристаллогидрата сульфата меди
12
Работа 3. Определение теплоты растворения – 6 ч
Содержание
работы:
Калориметрическим
методом
определяются интегральные теплоты растворения солей, а
затем по графической зависимости интегральной теплоты
растворения
от
концентрации
определяются
дифференциальные теплоты растворения.
Работа 4. Определение теплоты образования твёрдого
раствора из двух твёрдых компонентов – 6 ч
Содержание работы: С использованием одного из двух
предложенных способов определяется теплота образования
механической смеси KCl + KBr, калориметрическим
способом определяется теплота растворения твердого
раствора, а затем по закону Гесса рассчитывается теплота
образования последнего.
Раздел 4. Энергия Работа 5. Определение парциальных молярных объёмов – 6ч
Гиббса.
Энергия Содержание работы: определяют плотность растворов, по
Гельмгольца.
полученным значениям рассчитывают удельные объемы,
Характеристические затем графическим методом находят парциально-молярные
функции
величины объемов и строят зависимости последних от
концентраций компонентов.
Раздел 5.
Работа 6. Исследование химического равновесия гомогенной
Химическое
реакции в растворе – 7 ч
равновесие
Содержание работы: Исследуют химическое равновесие
гомогенной реакции , протекающей в водном растворе: FeCl3
+ KI = FeCl2 + I + KCl. Измерив концентрации реагентов в
состоянии равновесия, рассчитывают константы химического
равновесия при двух температурах, а затем определяют
тепловой эффект реакции в исследованном интервале
температур.
3
4
Модуль 2. Фазовое равновесие и теория растворов
5
Раздел 6.
Термодинамика
фазовых
превращений
Работа 7. Измерение давления насыщенного пара – 6 ч
Содержание работы: Методом точек кипения измеряют
температуры кипения жидкости при различных давлениях
насыщенного пара. На основании измерений рассчитывают
теплоту и изменение энтропии при испарении жидкости,
вычисляют эбуллиоскопическую постоянную жидкости.
Работа
8.
Построение
диаграммы
равновесия
двухкомпонентной системы – 7 ч
Содержание работы: По кривым охлаждения построить
фазовую диаграмму системы олово – цинк. По
теоретическому уравнению и экспериментальным данным
рассчитывают линию ликвидуса для кристаллизации цинка.
Наносят вычисленные значения на диаграмму состояния и
сравнивают
их
с
экспериментальными
значениями
температур ликвидуса.
13
Работа 9. Изучение равновесия жидкость – пар в бинарных
растворах – 7 ч
Содержание работы: По результатам измерений строят
диаграмму состояния температура кипения – состав.
Используя правило рычага, проводят анализ состояния
системы для различных температур и составов.
Работа 10. Изучение равновесия жидкость – жидкость в
трехкомпонентной системе с одной областью расслоения – 6
ч
Содержание работы: Знакомятся с методом построения
диаграмм состояния трехкомпонентных систем и методами
определения состава на концентрационном треугольнике. Строят
диаграмму растворимости трехкомпонентной системы при Р,
T = const.
6
Раздел 7. Растворы
Работа
11.
Криоскопический
метод
определения
молекулярной массы и степени диссоциации электролита – 6
ч
Содержание работы: Определяют понижение температуры
кристаллизации раствора неэлектролита и раствора
электролита. Рассчитывают криоскопическую постоянную и
вычисляют молекулярную массу неэлектролита, степень
диссоциации и изотонический коэффициент электролита.
Работа 12. Распределение вещества между двумя жидкими
фазами – 6 ч
Содержание работы: Измеряют коэффициент распределения
уксусной кислоты между двумя несмешивающимися фазами.
Для расчета концентрации используют метод титрования
проб.
Модуль 3. Элементы статистической и неравновесной термодинамики
Лабораторные занятия не предусмотрены
После выполнения предусмотренного эксперимента, расчета необходимых величин,
построения графиков, каждый студент защищает лабораторную работу. Для этого ему
необходимо предоставить преподавателю отчет, оформленный в соответствии с
перечисленными ниже требованиями, и быть готовым ответить на вопросы, касающиеся
темы работы, ее выполнения, расчетов и выводов.
Практические руководства и список учебных пособий, рекомендуемых для
подготовки к лабораторным работам
1. Химическая термодинамика : учеб.-метод. пособие [для лаб. работ студентов
направлений 020100.62 - химия; 020201.65 - фундаментальная и прикладная химия] / Сиб.
федерал. ун-т ; сост.: Н. В. Белоусова, Л. А. Иртюго. - Красноярск : СФУ, 2012. - 55 с
2.Химическая термодинамика. Лабораторные работы для студ. Спец. «Химия» /
Н.Л. Коваленко, В.В. Белецкий. – Красноярск: КГУ, 2001. – 30 с.
3. Стромберг А.Г. Физическая химия / А.Г. Стромберг, Д.П. Семченко. – М.: Высш.
школа, 2001 (19 экз), 2003 (116 экз), 2006. – 528 с.
14
4. Физическая химия. В 2 кн. Кн.1. Строение вещества. Термодинамика / К.С.Краснов,
Н.К.Воробьев, И.Н. Годнов и др. / Под ред. К.С.Краснова. – М.: Высш. школа, - 2001. – 512
с.
6. Бажин Н. М. Термодинамика для химиков: учебник для студентов вузов по
специальности "Химия": рекомендовано Министерством образования РФ/Н. М. Бажин, В.
А. Иванченко, В. Н. Пармон. – 2004. – 416 с.
Основные требования к выполнению работ и их оформлению
На первом занятии все студенты должны пройти инструктаж по технике
безопасности. Студенты, не соблюдающие правил техники безопасности, могут быть
отстранены от выполнения лабораторных работ.
Перед тем как приступить к выполнению лабораторных работ, необходимо
получить допуск. Для этого следует прочитать теоретический материал по заданной
работе, уяснить цели, задачи, порядок проведения эксперимента. При этом достаточно
использовать сведения, приведенные в данных методических указаниях. После
выполнения эксперимента по лабораторной работе, расчета необходимых величин,
построения графиков работа защищается. Оформленные лабораторные работы должны
содержать следующие пункты:
1. Изложение цели работы.
2. Краткое теоретическое введение.
3. Описание методики эксперимента.
4. Результаты исследования и расчеты.
5. Выводы по работе с обоснованием возможных отклонений от теоретических
величин.
Защита лабораторных работ проводится во время аудиторного занятия. На защите
лабораторной работы - проверяются выполненные расчеты, - оценивается качество
оформления, правильность построения графиков, - анализируется логичность выводов, оцениваются ответы на теоретические вопросы, предполагающие знание лекционного
материала по данной теме. Если по теме лабораторной работы на момент ее защиты
лекций не было, при подготовке теории следует руководствоваться контрольными
вопросами, приведенными в методических указаниях. К выполнению следующей
лабораторной работы не допускаются те, кто не защитил предыдущую выполненную
работу.
Правила составления записи результатов измерений, таблиц, построения
графиков изложены в учебно-методическом пособии «Химическая термодинамика»:
учеб.-метод. пособие [для лаб. работ студентов направлений 020100.62 - химия; 020201.65
- фундаментальная и прикладная химия] / Сиб. федерал. ун-т ; сост.: Н. В. Белоусова, Л. А.
Иртюго. - Красноярск: СФУ, 2012. - 55 с
КОНТРОЛЬ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ
Результативность самостоятельной работы студентов определяется наличием
активных методов ее контроля. Используются следующие виды контроля:
– входной контроль знаний и умений студентов при начале изучения дисциплины;
– текущий контроль, то есть регулярное отслеживание уровня усвоения материала
на лекциях и лабораторных занятиях;
– промежуточный контроль по окончании изучения раздела или модуля курса;
– самоконтроль, осуществляемый студентом в процессе изучения дисциплины при
15
подготовке к контрольным мероприятиям;
– итоговый контроль по дисциплине в виде экзамена.
При чтении лекционного курса непосредственно в аудитории преподаватель
контролирует усвоение материала основной массой студентов путем проведения экспрессопросов по конкретным темам, тестового контроля знаний, опроса студентов и т.д.
Для повышения эффективности самоконтроля в методических указаниях к
лабораторным работам в каждом разделе представлены контрольные вопросы.
При проведении лабораторного практикума необходимо создать условия для
максимально самостоятельного выполнения лабораторных работ. Поэтому при
выполнении работы:
1. Проводится экспресс-опрос (устно или в тестовой форме) по теоретическому
материалу, необходимому для выполнения работы (с оценкой).
2. Проверяются планы выполнения лабораторных работ, подготовленных
студентами дома (с оценкой).
3. Оценивается работа студента в лаборатории.
4. Проверяется отчет.
Для улучшения качества выполняемой лабораторной работы студентам перед
лабораторной работой предлагается
решить несколько задач по материалам
определенного раздела. Так же студенту выдается домашнее задание в виде задач для
самостоятельного решения. По результатам решения задач выставляются оценки.
Подведение итогов и оценка результатов всех форм самостоятельной работы
осуществляется во время контактных часов с преподавателем, в том числе в часы
консультаций. Такой контроль может проходить в письменной, устной или смешанной
форме с представлением студентами отчетов, рефератов и решенных заданий.
Критериями оценки результатов внеаудиторной самостоятельной работы студента
являются:
- уровень освоения учебного материала,
- умение использовать теоретические знания при выполнении практических задач,
- полнота общеучебных представлений, знаний и умений по изучаемой теме, к
которой относится данная самостоятельная работа,
- обоснованность и четкость изложения ответа на поставленный по внеаудиторной
самостоятельной работе вопрос,
- оформление отчетного материала в соответствии с известными или заданными
преподавателем требованиями, предъявляемыми к подобного рода материалам.
Студент, не представивший результаты своей внеаудиторной самостоятельной
работы, к итоговой аттестации по учебной дисциплине не допускается.
Итоговая аттестация представляет собой зачет по лабораторному практикуму и
экзамен. До сдачи зачета студент должен сделать и защитить все лабораторные работы и
решить комплекс задач, состоящий из 5 заданий. К экзамену по курсу химической
кинетики допускаются только студенты, сдавшие зачет.
Экзамен проходит в два этапа: 1. ответы на теоретические вопросы, 2. решение
задач. Если студент не отвечает на два теоретических вопроса из шести, считается, что он
не прошел первый этап и не может дальше сдавать экзамен. Если он ответил на два
вопроса, то должен решить обе задачи, чтобы получить оценку “удовлетворительно”.
Оценка “отлично” ставится в том случае, если студент правильно ответил на 4-5 вопросов
и решил две задачи.
16
ГРАФИК
учебного процесса и самостоятельной работы студентов по дисциплине Химическая термодинамика
направления 020100.62 Химия , института цветных металлов и материаловедения, 3курса на 5 семестр
№ п/п
1
Наименование
дисциплины
Химическая
термодинамика
Семестр
5
Число часов аудиторных
занятий
Форма
контроля
Всего
По видам
Лекции – 36
Экзамен
(54)
90
Лабораторные зачет
– 54
Часов
на Недели учебного процесса семестра
самостоятельную
работу
Всего
По видам
1
2
3
4
5
6
ТО – 36
ТО
ТО
ТО
ТО
ТО
ТО
105
ЛР – 56
КН – 10
ВТ - 3
ВЛР1
ВЛР2
ЗЛР1
ВЛР3
ЗЛР2
7
ТО
8
ТО
ВЛР4
ЗЛР3
9
ТО
10 11
ТО ТО
ВЛР5
ЗЛР4
ВЛР6
ЗЛР5
12
ТО
13
ТО
ВЛР7
ЗЛР6
14
ТО
15
ТО
16
ТО
ВЛР8
ЗЛР7
1КН
ВТ
Условные обозначения: ТО – изучение теоретического курса; ЛР – лабораторные работы; ВЛР – выполнение лабораторной работы;
ЗЛР – защита лабораторной работы; КН – контрольная неделя (аттестационная неделя); ВТ – входное тестирование по дисциплине.
Заведующий кафедрой:
Денисов В.М.
17
ТО
18
ТО
ЗЛР8
2КН